«Джеймс Уэбб» обнаружил неизвестный химический след на Титане и Плутоне, который учёные не могут связать с конкретной молекулой

Международная группа планетологов обнаружила на поверхностях Титана и Плутона одинаковую ранее неизвестную спектральную особенность — полосу поглощения света на длине волны 5,11 мкм. Анализ данных космического телескопа «Джеймс Уэбб» показал, что сигнал связан не с атмосферой, а с веществом на поверхности этих двух объектов. Однако ни одно из известных соединений не объясняет наблюдаемую линию полностью.

Спектральные линии работают как химические «отпечатки пальцев»: разные вещества по-разному поглощают и излучают свет, поэтому по таким особенностям астрономы определяют состав изучаемых объектов. Если наблюдаемая линия не совпадает ни с одним известным соединением, то это может указывать на ранее не изученное вещество или необычное состояние уже известных молекул.

Необычную полосу обнаружили при анализе наблюдений Титана — крупнейшего спутника Сатурна — и Плутона, карликовой планеты на окраине Солнечной системы. Объекты внешне сильно отличаются, но имеют схожие химические условия: их атмосферы содержат преимущественно азот и заметное количество метана. Под действием солнечного излучения в этих атмосферах образуются сложные органические аэрозоли, формирующие глобальную дымку и постепенно оседающие на поверхность.

До появления «Джеймса Уэбба» изучение поверхности Титана оставалось серьёзной проблемой. Плотная атмосфера спутника и органическая дымка скрывали большую часть поверхности, а прибор VIMS на аппарате Cassini не обладал достаточной чувствительностью и спектральным разрешением в диапазоне около 5 мкм. JWST впервые позволил исследовать этот диапазон с необходимой точностью.

Новые данные были получены с помощью двух инструментов телескопа — NIRSpec и MIRI. Они независимо зафиксировали полосу с центром около 5,113 мкм (1956 см-1), что исключает вероятность случайного артефакта наблюдений. Глубина поглощения составила около 6–7% для Титана и 4,5% для Плутона.

Учёные проверили, не могла ли линия возникнуть в атмосфере Титана. Компьютерное моделирование переноса излучения с учётом основных газов, включая метан, угарный газ, этан и ацетилен, а также частиц дымки, не смогло воспроизвести обнаруженную особенность. Дополнительный анализ показал, что интенсивность сигнала уменьшается от центра диска Титана к его краю, что характерно для вещества на поверхности: атмосферная дымка, наоборот, должна становиться заметнее у края из-за увеличения пути прохождения света.

На Плутоне, где атмосфера примерно в сотни тысяч раз разреженнее атмосферы Титана, обнаружение той же полосы стало дополнительным подтверждением её поверхностного происхождения. При этом сама линия на Плутоне примерно в 3 раза шире, чем на Титане. Учёные связывают различие с разным физическим состоянием вещества, химическим окружением молекул и воздействием радиации: поверхность Плутона получает больше высокоэнергетических частиц, которые могут изменять структуру льдов и создавать более сложные смеси органических соединений.

Определить конкретное вещество пока не удалось. Учёные сравнили сигнал с лабораторными спектрами множества известных льдов и органических соединений, но идеального совпадения не нашли. Среди наиболее вероятных кандидатов рассматриваются аллены — органические соединения с последовательностью двойных связей углерода C=C=C. Также возможны смеси с участием бензола и кетена, однако имеющихся данных недостаточно для окончательной идентификации.

Особенность открытия заключается не только в обнаружении неизвестной линии, но и в том, что одинаковая химическая «подпись» появилась сразу на двух объектах с азотно-метановой средой. Это указывает на возможное сходство химических процессов на ледяных телах внешней части Солнечной системы, несмотря на огромные различия в температуре, давлении и расположении относительно Солнца.

Полученные данные также станут ориентиром для будущих исследований Титана. В середине 2030-х годов NASA планирует отправить к спутнику миссию Dragonfly — автономный зонд, который будет изучать поверхность Титана и анализировать состав органических веществ с помощью масс-спектрометра DraMS. Новая спектральная особенность даёт конкретную цель для поиска: учёным предстоит выяснить, какая молекула оставляет этот неизвестный след на обоих объектах.

©  iXBT